AlGaN TEMELLİ UV-LED YAPILARININ METAL ORGANİK BUHAR FAZI EPİTAKSİSİ YÖNTEMİ İLE BÜYÜTÜLMESİ VE KARAKTERİZASYONU. Mustafa ÖZTÜRK

Transkript

1 v AlGaN TEMELLİ UV-LED YAPILARININ METAL ORGANİK BUHAR FAZI EPİTAKSİSİ YÖNTEMİ İLE BÜYÜTÜLMESİ VE KARAKTERİZASYONU Mustafa ÖZTÜRK YÜKSEK LİSANS TEZİ İLERİ TEKNOLOJİLER GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ EKİM 2011 ANKARA

2 Mustafa ÖZTÜRK tarafından hazırlanan AlGaN TEMELLĠ UV-LED YAPILARININ METAL ORGANĠK BUHAR FAZI EPĠTAKSĠSĠ YÖNTEMĠ ĠLE BÜYÜTÜLMESĠ VE KARAKTERĠZASYONU adlı bu tezin Yüksek Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Doç. Dr. Elif ORHAN Tez Danışmanı, Ġleri Teknolojiler Anabilim Dalı.. Prof. Dr. Ekmel ÖZBAY Tez Ġkinci Danışmanı, Elektrik-Elektronik Müh. Anabilim Dalı.. Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Ġleri Teknolojiler Anabilim Dalında Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir. Prof. Dr. Süleyman ÖZÇELĠK Fizik Anabilim Dalı, G.Ü... Doç. Dr. Elif ORHAN Ġleri Teknolojiler Anabilim Dalı, G.Ü... Yrd. Doç. Dr. Nurgül SEFEROĞLU Ġleri Teknolojiler Anabilim Dalı, G.Ü... Tarih: 07/10/2011 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onamıştır. Prof. Dr. Bilal TOKLU Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü..

3 TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Mustafa Öztürk

4 iv AlGaN TEMELLİ UV-LED YAPILARININ METAL ORGANİK BUHAR FAZI EPİTAKSİSİ YÖNTEMİ İLE BÜYÜTÜLMESİ VE KARAKTERİZASYONU (Yüksek Lisans Tezi) Mustafa ÖZTÜRK GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Ekim 2011 ÖZET Bu çalışmada c-safir (0001) alttaş üzerine çatlaksız, AlGaN temelli 340 nm de ışıma yapan UV-LED yapıları Metal-Organik Buhar Fazı Epitaksi (MOBFE) yöntemi ile büyütülmüş ve karakterize edilmiştir. AlGaN temelli UV-LED yapı büyütmelerindeki en önemli zorluk AlGaN tabakalarının safir alttaş (c-düzlem) ile yüksek örgü uyumsuzluğu nedeniyle kusurların üretilmesidir. Bu çalışmada kusurları azaltmak amacıyla AlN tampon optimizasyonu; çekirdeklenme, nitridasyon ve desorpsiyon adımları ile birlikte gerçekleştirilmiştir. Aynı zamanda diyot karakteristiklerinin de iyileştirilmesi ve aktif bölgede daha fazla taşıyıcı toplanabilmesi için n ve p tipi katkılı tabakalar ile elektron bloklama tabakaları üzerinde çalışılmıştır. Güçlü iç soğurmayı en aza indirmek için p tipi katkılı zarflama tabakaları ile p kontak metallerinin kalınlıkları düşürülmüştür. Sonuç olarak, 8mA giriş akımında 339 nm de güçlü ve keskin bir Elektro-luminesans (EL) şiddeti gözlenebilmiştir. EL sinyalinin FWHM değeri 13,7 nm olarak belirlenmiştir. Bilim Kodu : Anahtar Kelimeler : MOBFE, AlGaN,UV-LED Sayfa Adedi : 61 Tez Yöneticisi : Prof.Dr.Ekmel ÖZBAY, Doç.Dr.Elif ORHAN

5 v GROWTH AND CHARACTERIZATION OF AlGaN BASED UV-LED STRUCTURES BY METAL ORGANIC VAPOR PHASE EPITAXY (M.Sc. Thesis) Mustafa ÖZTÜRK GAZİ UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY October 2011 ABSTRACT AlGaN based UV-LEDs emitting at 340 nm were grown on c-sapphire (0001) by Metal Organic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE) method and characterized in this work. Generation of defects related to large lattice mismatch between c- plane sapphire substrate and AlGaN layers is the most important adversity in growing AlGaN based UV-LEDs. AlN buffer optimization is carried out with nucleation, nitridation and desorption parameters in order to reduce defects. At the same time a work is performed on n type and p type layers as well as electron blocking layers to get better diode characteristics and combine more carriers in active region. Thickness of p type doped cladding layers with p contact metals were decreased in order to reduce strong internal absorption. In summary, a strong and sharp Electro-luminescence (EL) peak observed at 339 nm with 8mA injection current. FWHM of EL peak is determined as 13,7 nm. Science Code : Key Words : MOVPE, AlGaN, UV-LED Page Number : 61 Adviser :Prof.Dr.Ekmel ÖZBAY, Doç.Dr.Elif ORHAN

6 vi TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren Hocam Doç. Dr. Elif Orhan a yine bu çalışma boyunca altyapı olanakları ile çalışmama destek olup her zaman çok değerli tecrübe ve yönlendirmelerini esirgemeyen Bilkent Üniversitesi Nanoteknoloji Araştırma Merkezi direktörü Prof.Dr. Ekmel Özbay Hocam a, ayrıca laboratuvar çalışmalarımda olağan üstü yardımlarını gördüğüm çalışma arkadaşlarım Araştırma Mühendisi Pakize Demirel ve Araştırma Mühendisi Hüseyin Çakmak a, elde edilen örneklerin mikrofabrikasyonunu ve elektriksel ölçümlerini gerçekleştiren değerli çalışma arkadaşım Araştırma Mühendisi M.Cihan Çakır a teşekkürü bir borç bilirim.

7 vii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET... iv ABSTRACT... v TEŞEKKÜR... vi İÇİNDEKİLER... vii ÇİZELGELERİN LİSTESİ... ix ŞEKİLLERİN LİSTESİ... x RESİMLERİN LİSTESİ... xii 1. GİRİŞ Al x Ga 1-x N VE LED YAPILARININ TEMEL ÖZELLİKLERİ Kimyasal Bağlanma ve Kristal Yapı Özellikleri Bant Aralığı Enerjsi Polarizasyon p-n birleşimi MOBFE YÖNTEMİ EPİTAKSİYEL MALZEME BÜYÜTME Temizlik ve Ön Hazırlıklar Reaktör hazırlama Alttaş hazırlama AlN ve AlN/AlGaN Tampon Optimizasyonu ve Karakterizasyonu AlGaN:Si Yapının Büyütülmesi AlGaN:Si Karakterizasyonu Optik geçirgenlik... 36

8 viii Sayfa Hall etkisi ölçümü Atomik kuvvet mikroskobu ile yüzey taraması Çoklu Kuantum Kuyu Yapının Büyütülmesi UV-LED Yapı Büyütmeleri EPİTAKSİYEL MALZEMENİN KARAKTERİZASYONU X-Işını Difraksiyonu Fotoluminesans Ölçümü (FL) AYGIT MİKRO-FABRİKASYONU AYGIT KARAKTERİZASYONU SONUÇLAR VE TARTIŞMA KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ... 61

9 ix ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 1.1. Nitrat yarıiletkenlerin tarihsel gelişimi... 2 Çizelge 2.1.GaN ve AlN için bazı fiziksel özellikler Çizelge 3.1. MOCVD kaynakları avantaj ve dezavantajları Çizelge 4.1. Optimizasyon için büyütülen AlN tabakalarına ait büyütme koşulları ve X- Işını kırınımı ölçüm sonuçları Çizelge 4.2. Çoklu Kuantum Kuyusu Büyütme Koşulları Çizelge 4.3. UV-LED yapılarında standart olarak kullanılan tabakaların kalınlıkları Çizelge 4.4. p-tipi kontak tabakalarının büyütme koşulları Çizelge test yapısı ve 2.yapı daki bazı tabakaların (002) düzlemi için rocking eğrisi ölçümü FWHM değerleri Çizelge 5.2. Çoklu kuantum kuyusundan gelen ve n+algan dan gelen sinyal tepe noktaları Çizelge 6.1. Kontak metal kaplama kalınlıkları... 51

10 x ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 1.1. III grubu Nitratların dalgaboyu spektrumu... 4 Şekil 2.1. (a)wurtzite, (b) Zinc-blende, (c) Rock-salt, Şekil 2.2. Yasak bant aralığı enerjisinin örgü sabiti ile değişimi Şekil 2.3. Wurtzite yapısındaki GaN (sol) ve AlN a (sağ) ait hesaplanmış bant yapıları Şekil 2.4. p-n eklem bölgesinde rekombinasyon olayı ve ışık yayınımı Şekil 2.5. Tasarlanan UV-LED yapısına ait aktif bölge bant yapısı Şekil 3.1. MOCVD sistemi temel bileşenleri Şekil 3.2. MOCVD yönteminde GaN ince filmlerin tabaka yapısının oluşumu Şekil 4.1. Optimizasyon için büyütülen AlN yapısı şematik gösterimi Şekil 4.2. (002) ve (102) RC ω FWHM değerlerinin DS-AlN süresi ile değişimi Şekil 4.3. (002) ve (102) RC ω FWHM değerlerinin DS-AlN büyütme süresi ile Şekil 4.4. (002) ve (102) RC ω FWHM değerlerinin Desorpsiyon süresi ile değişimi Şekil 4.5. RMS yüzey pürüzlülük değerinin DS-AlN çekirdek tabaka süresi ile değişimi Şekil 4.6. RMS yüzey pürüzlülük değerinin Nitridasyon süresi ile değişimi Şekil 4.7. RMS yüzey pürüzlülük değerinin Desorpsiyon süresi ile değişimi Şekil 4.8. AlN/Al 0.75 Ga 0.25 N süper örgü tampon tabakası büyütme kaynak akış Şekil 4.9. Katkılı AlGaN da Silisyum aktivasyon enerjisinin Aluminyum oranı ile. 34 Şekil AlGaN:Si ile tampon tabakalarının şematik gösterimi Şekil n+al 0.33 Ga 0.67 N tabakasına ait optik geçirgenlik spektrumu Şekil n+algan, bariyer ve kuyu AlGaN optik geçirgenlik ölçümü... 39

11 xi Şekil Sayfa Şekil Al 0.11 Ga 0.89 N / Al 0.29 Ga 0.71 N MQW test büyütmesi için Fotoluminesans Şekil Yapılara ait p-tipi katkılı kontak tabakalarının yerleşimi Şekil İnce film-alttaş yapısında yansıma olayının oluşumu Şekil Yansımalı geçiş ölçüm düzeneğinin şematik gösterimi [6] Şekil UV-LED yapısına ait büyütmenin Fabry-Perot osilasyonları Şekil UV-LED yapısına ait büyütmenin Fabry-Perot osilasyonları Şekil UV-LED yapısına ait Omega/2theta ölçüm spektrumu Şekil UV-LED yapısına ait Omega/2theta ölçüm spektrumu Şekil 5.3. p-kontak tabakaları ile büyütülen UV-LED yapılarının fotoluminesans spektrumu Şekil 7.1. İlk yapıya ait I-V grafiği Şekil UV-LED yapısına ait elektro-luminesans spektrumu Şekil UV-LED yapısına ait I-V grafiği Şekil UV-LED yapısına ait elektro-luminesans spektrumu... 55

12 xii RESİMLERİN LİSTESİ Resim Sayfa Resim 4.1. DS-AlN çekirdeklenme tabakası: 2 dk lık tavlama öncesi Resim 4.2. AlN tampon optimizasyonu AFM yüzey taramaları Resim 4.3. AlN/AlGaN süper örgü tampon tabakası ara kesit SEM görüntüsü Resim 4.4. n+al 0.33 Ga 0.67 N AFM yüzey görüntüsü Resim 6.1. Optik litografi ile fabrikasyonu tamamlanan UV-LED aygıtına ait mikroskop görüntüsü

13 xiii SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklama Sccm/dk Standart kübik santimetre / dakika Arc sec Arc second (derece ( ) x 3600) ma mili-amper nm nanometre µm mikrometre ppm Milyonda bir parçacık Ω Ohm Kısaltmalar Açıklama AFM SEM XRD FL UV LED MOCVD MOBFE DS YS SÖ EQW MQW,ÇKK Ud RTA Atomik Kuvvet Mikroskobu Taramalı Elektron Mikroskobu X-ışını Difraksiyonu Foto Luminesans Ultraviyole Işık Yayan Diyot Metal-Organik Kimyasal Buhar Biriktirme Metal-Organik Buhar Fazı Epitaksi Düşük Sıcaklık Yüksek Sıcaklık Süper Örgü Dışşal Kuantum Verimi Çoklu Kuantum Kuyusu Katkısız Hızlı Isıl Tavlama

14 1 1. GİRİŞ 360 nm altı dalgaboylarında parlak ve yüksek verimli UV-LED ışık kaynakları tıbbi cihazlar, kısa mesafe gizli taktiksel iletişim, biyolojik-kimyasal ajan tespiti [25], saflaştırma ve sterilizasyon, katı hal beyaz aydınlatma ve yüksek kapasiteli veri depolama sistemleri gibi birçok uygulama alanında geleneksel UV-ışık kaynaklarına göre kompakt tasarımları, düşük ısı üretimleri, düşük güç tüketimi, yüksek performansları ve yüksek verimleri nedeniyle oldukça çekici bir alternatiftir. Dolayısı ile bu bölgede ışıma yapacak yüksek performanslı UV-LED yapılarının geliştirilmesi oldukça önemlidir. Nitrat temelli üçlü bileşiklerden olan Al x Ga 1-x N geniş bant aralığı enerjisi sayesinde (3,4eV-6,2eV) 360 nm altında UV- ışıma verebilecek bir malzemedir. Geleneksel GaN/InGaN temelli görünür bölge LED ışık kaynaklarında olduğu gibi Al x Ga1-xN / Al y Ga1-yN çoklu kuantum kuyu (ÇKK) temelli UV-LED yapıları da Metal-Organik Buhar Fazı Epitaksi (MOBFE) yöntemi ile elde edilebilmektedir. Bu amaçla GaN/AlGaN (<360 nm) [10,11,15,22], Al x Ga 1- xn/al y Ga 1-y N (<300nm)[8], InGaN/AlInGaN (370 nm<λ<390nm) [13,16] tipinde kuantum kuyu yapıları geliştirilmiştir. Bir diğer çalışmada da Horng ve ark.[17] yüzeyi patern edilmiş ve edilmemiş safir üzerine InGaN/AlGaN kuantum kuyu yapılı LED elde ederek dısşal kuantum veriminde patern edilmiş safir üzerinde ~ %35 gibi bir artış gözlemişlerdir. Fujikawa ve ark. [19],] ise In x1 Al y1 Ga 1-x1-y N / In x2 Al y2 Ga 1-x2- y2n tipinde MQW yapısı ile 346 nm de 8.4mW gibi yüksek bir çıkış gücü elde etmişlerdir. Al x Ga 1-x N / AlN tipindeki çoklu kuantum kuyu yapılarından da nm aralığında ışıma alındığı Gautier ve ark. [24] tarafından rapor edilmiştir. Safir üzerine GaN büyütülmesine yönelik çalışmalar ilk olarak 1969 yılında Hydride Vapour Phase Epitaxy (HVPE) yöntemi ile başladı de ilk metalyalıtkan-yarı iletken (MIS) ışık yayan diyot yapısı gösterildi ancak 1989 yılına kadar GaN üzerine çok az sayıda araştırma yayınlanabildi den bu yana III grubu nitratları üzerine yapılan çalışmalar hızlı bir yükseliş gösterdi. Çifli heteroyapılı LED lerden HEMT lere kadar birçok yapı bu nitratlı bileşikler ile elde edildi. GaN malzemesi elde etmede zaman içerisinde birden farklı yöntemler geliştirildi.

15 2 Çizelge 1. 1 Nitrat yarıiletkenlerin tarihsel gelişimi Yıl Gelişme Araştırmacılar 1969 Safir üzerine GaN (HVPE yöntemi ile) Maruska ve ark Safir üzerine MIS LED (HVPE) Safir ve SiC üzerine GaN (MOCVD yöntemi ile) Pankova ve ark. Mankova ve ark Safir üzerine AlN aratabaka (MBE yöntemi ile) Yoshida ve ark Safir üzerine AlN tampon kullanılarak çok Amano ve ark. düzgün yüzeyli GaN elde edildi (MOCVD) 1989 p-tipi GaN,Mg katkılı GaN, GaN p-n Amano ve ark. birleşimliled (MOCVD) 1992 Isıl işlem ile Mg aktivasyonu Safir üzerine AlGaN/GaN iki boyutlu elektron Nakamura ve ark. Khan ve ark. gazı (2DEG) (MOCVD yöntemi ile) 1993 AlGaN /GaN heteroyapıda piezolektrik etkinin Bykhovski ve ark. teorik çalışmaları 1994 InGaN/AlGaN DH mavi LED Safir üzerine AlGaN/GaN HEMT yapısı(mocvd) Nakamura ve ark. Khan ve ark Safir üzerine AlGaN/ GaN HEMT yapısı (MBE) Özgür ve ark Katkılı kanallı AlGaN/GaN HEMT (MOCVD) İlk mavi renkli lazer diyot Khan ve ark. Nakamura ve ark Piezolektrik etkinin deneysel sonuçları SiC üzerine AlGaN/GaN HEMT yapısı LiAlO2 üzerine GaN (MBE yöntemi ile) LiAlO2 üzerine GaN (MOCVD yöntemi ile) Asbeck ve ark. Binari ve ark. Hellman ve ark. Kryliouk ve ark GaN/Al0.15Ga0.85N mor ve UV-LED (MBE) Guha ve ark Silisyum üzerine InGaN/GaN LED (MBE) Bojarcezuk ve ark İlk GaN/AlGaN MQW LED (353 nm) Han ve ark Silisyum üzerine InGaN/GaN LED (MOCVD) Tran ve ark Silisyum üzerine AlGaN/GaN -2DEG- Kaiser ve ark. (MOCVD) 2001 Silisyum üzerine AlGaN/GaN HEMT (MBE) Semond ve ark İlk 340 nm UV-A LED Adivarahan ve ark İlk 315 nm LED Khan ve ark İlk 305 nm UV-B LED Khan ve ark LiAlO2 üzerine GaN (HVPE yöntemi ile) Chen ve ark Silisyum üzerine InGaN/GaN MQW yapısında Dikme ve ark. optik pompalama yolu ile Lazer aktivitesi 2008 AlInN/GaN DBR üzerine mavi LED Ishikawa ve ark mm (001) Si üzerine InGaN/GaN mavi LED Schulze ve ark ELO AlGaN üzerine UV-LED Amano ve ark LiAlO2 üzerine InGaN/GaN LED yapısından Dikme ve ark. elektrolüminesans elde edildi. (MOCVD) 2006 İlk AlN deep UV LED (210 nm) Taniyasu ve ark UV-LED için SiC üzerine AlN ve AlGaN Amano ve ark.

16 3 Bu yöntemlerin bir kısmı avantajları veya dezavantajları nedeni ile katı (bulk) GaN elde etmede kullanılırken bir kısmıda ince film teknolojisindeki gelişmelere paralel olarak ince GaN filmleri elde etmede kullanılmaktadır. Bu yöntemlerden bazıları Metal Organik Buhar Fazı Epitaksisi (MOVPE), Moleküler Demet Epitaksisi (MBE), Hidrat Buhar Fazı epitaksisi (HVPE), Kimyasal Buhar Briktirme (CVD), Sublimation Sandwich Tekniği dir. MOVPE tekniği Metal Organik Kimyasal Buhar biriktirme (MOCVD) ve Organik Metal Buhar Fazı Epitaksisi (OMVPE) adlandırmaları ile aynı anlamda kullanılmaktadır. Çizelge 1.1. de GaN ve ilişkili nitrat yapılarının tarihsel gelişimi kısaca özetlenmiştir lı yılların başından itibaren bilgi ve iletişim teknolojilerindeki hızlı gelişmeler büyük ölçüde yarı iletken malzemeler ve bu malzemeler ile uygulama bulmuş yarı iletken aygıtların geliştirilmesi ile paralellik göstermiştir. Günümüze kadar geçen süreçte GaN, Silisyum dan sonra muhtemelen en önemli yarı iletkenlerden biridir. Bu süreçte aynı zamanda GaN ve GaN ile ilişkili geniş bant aralıklı malzemelerin de araştırma ve geliştirme faaliyetlerinde hızlı bir artış olmuştur. Geleneksel Silisyum ve kullanılagelen III-V grubu yarı iletkenleri ile karşılaştırıldığında III grubu nitrat bileşikleri özgün optik ve elektronik özellikler sunmaktadır. En popüler GaN tabanlı aygıtlar ultraviyole-mavi arası lazer diyotları (LD) ve Ultraviyole-yeşil arası ışık yayan diyotlardır (LED). Yüksek elektron mobiliteli transistorler (HEMT) ve güneş körü ultraviyole sensörler de ticarileşmek için sırada bekleyen diğer aygıtlardır. Nitrat tabanlı bu bileşiklerdeki wurtzite kristal modifikasyonu geniş bant aralıklarını kapsar. AlN için 6.2 ev, GaN için 3.4 ev olan bu değer InN da ev a kadar düşer. Geniş bant aralıklarından dolayı GaN gibi bu tip yarı iletken malzemeler güçlü bağ yapılarından dolayı yüksek sıcaklıkuygulamalarında da kullanılırlar. Şekil 1.1. de nitrat yarı iletkenlerin bant enerjilerinin spektrumda dağılımı görülmektedir.

17 4 Şekil 1.1. III grubu Nitratların dalgaboyu spektrumu [2]. AlGaN malzemesi ise direk geçişli geniş-bant aralıklı bir malzeme olması ile n-tipi ve p-tipi iletkenlik sağlanabilmesi nedeniyle özellikle 360 nm altı dalgaboylarında UV emisyon veren LED yapıları geliştirmede gelecek vaadeden bir malzeme olarak görülmektedir. Silisyum (111) ve SiC alttaş üzerine çeşitli UV-LED yapı büyütme çalışmaları da bulunmakla birlikte [1] c-düzlemli (0001) safir alttaş büyük çaplarda alttaş üretilebilmesi ve pazar fiyatının ucuzlaması nedeniyle oldukça tercih edilen bir alttaş olmuştur. Katı GaN alttaş üzerine de 360 nm altı LED çalışmaları yapılmaktadır [14]. İyi optik ve elektriksel özelliklere sahip yüksek kaliteli Al x Ga 1- xn malzemesi elde edilebilmesi safir (0001) alttaş üzerine yüksek verimli AlGaN temelli UV-LED üretebilmek için oldukça önemlidir. AlGaN temelli LED lerdeki en önemli problem düşük verimlilikleridir. Bunun başlıca sebepleri arasında p-tipi katkılı AlGaN tabakalarındaki görece düşük deşik taşıyıcı konsantrasyonudur. Bereberinde yüksek aygıt seri direnci ve p-algan üzerinden limitli miktarda akım enjeksiyonudur. 340 nm de yayınım veren LED yapısında Mg katkılı AlGaN/AlGaN süper örgü tipinde kontak tabaka yapısı kullanılarak Ω seri direnç elde edilen çalışmalar yapılmıştır [7]. Ek olarak Mg katkılı AlGaN tabakalarının p-tipi iletkenliğindeki değişim azot, hava veya oksijen atmosferindeki aktivasyon işlemleri ile gözlenmiş ve oksijen atmosferindeki aktivasyonlarda 2E+16 cm -3 dolayında deşik konsantrasyonu elde edilmiş ve aynı çalışmada azot atmosferinde ~5E+15 cm -3 olarak elde edilmiştir [15]. Bu çalışmada ise Safir (0001) üzerine elde edilen UV-LED epitaksiyel yapısı genellikle DS/YS (Düşük Sıcaklık/Yüksek Sıcaklık) AlN tampon ile AlN /AlGaN

18 5 süper örgü tampon yapısı üzerine büyütülen AlGaN:Si kontak tabakası ve Al x Ga 1-x N /Al y Ga 1-y N çoklu kuantum kuyu yapısından oluşan aktif bölge ve Mg katkılı p-gan, p-algan zarflama ve p-algan elektron bloklama tabakalarının olduğu epitaksiyel UV-LED yapısı çalışılmış ve elde edilen sonuçlar hakkında bilgiler verilmiştir

19 6 2. Al x Ga 1-x N VE LED YAPILARININ TEMEL ÖZELLİKLERİ 2.1 Kimyasal Bağlanma ve Kristal Yapı Özellikleri AlxGa1-xN nitrat kristaller geniş bant enerjisi ile orantılı olarak yüksek kimyasal stabiliteye, yüksek erime noktasına, yüksek ısıl iletkenliğe ve yüksek piezoelektrik sabitine sahip bir malzemedir. GaN temelli kristaller 3 farklı kristal örgüsünde bulunabilir. Bunlar wurtzite, rock-salt ve Zinc blende biçimli kristal örgülerdir. Şekil 2.1. (a)wurtzite, (b) Zinc-blende, (c) Rock-salt, [6]. GaN ve diğer bir III-V bileşiği olan AlN ın karşılaştırmalı olarak verilen fiziksel özellikleri aşağıdaki Çizelge 2.1 de verilmiştir. GaN çok sert, mekanik dayanımı yüksek ve geniş bir ısı kapasitesine sahiptir. Saf halde iken kolay kırılgan değildir. Safir ve SiC gibi alttaşlar üzerine ince film olarak depozit edilebilir. Silisyum ile katkılandırılarak N tipi katkılı GaN elde etmek mümkündür ayrıca Magnezyum ile de katkılanarak P tipi katkılı bir GaN da elde edilebilir. Bununla birlikte GaN a silisyum veya magnezyum ile katkılama yapmak farklı GaN elde etme yöntemleri gerektirebilir. Katkılama örgü yapısında kusurlara neden olabileceğinden oluşabilecek gerilme zorlanımları GaN ı kırılgan hale getirebilir.

20 7 Çizelge 2.1 GaN ve AlN için bazı fiziksel özellikler [28], *[26]. Fiziksel Özellik GaN AlN Kristal Yapısı Wurtzite Wurtzite Enerji bant aralığı 3.39 ev 6.2 ev Örgü sabiti a 0 (c 0 ) (300K) (5.185) m 3.112(4.982) m Erime noktası 2791 K 3487 K Dekompozisyon sıcaklığı 800 ºC (Ar + 5% H2, 1000 hpa) 1250 ºC Vakumda Isıl genleşme katsayısı (α a ) K K -1 Isıl iletkenlik (300K)* 4.1 (1.3) Wcm -1 K (3.19) Wcm -1 K -1 Statik dielektrik sabiti GaN ın örgü sabiti ve ısıl iletkenliği gibi özellikleri safir (Al 2 O 3 ), SiC ve silisyum gibi farklı alttaşlar kullanılarak ince film halinde büyütülmesine olanak verir. Şekil 2.2. de bazı nitrat bileşiklerin örgü sabiti ile bant aralığı enerjisinin değişimi gösterilmektedir. GaN ın yukarıda belirtilen alttaşlar ile örgü uyumu %100 değildir. Kristal örgü parametrelerindeki farklılıklar ince film olarak elde edilmek istenen Al x Ga 1-x N ile alttaş arasına çeşitli tampon tabakalar kullanımını gerektirir. Bu tampon tabakalar ise genel olarak Şekil 2.2. de görülen AlN ve GaN arasındaki Al x Ga 1-x N tabakalarından seçilir. Çünkü bu bölgede AlGaN tabakaları ile GaN arasındaki gerilme zorlaması daha azdır. InN yönüne gittikçe örgü sabitindeki yüksek farklılık ısıl ve elektrik özelliklerdeki farklıklıkları da beraberinde getirir.

21 8 Şekil 2.2. Yasak bant aralığı enerjisinin örgü sabiti ile değişimi [29]. 2.2 Bant Aralığı Enerjsi III grubu nitrat yarı iletkenlerin elektronik bant yapılarının oluşumunu incelerken kimyasal bağ yapılarının anlaşılması gereklidir. III. grup nitratlarda bağ yapısı iyonik ve kovalent karışımı bir bağ yapısıdır. Karışık iyonik-kovalent bağlar iki sınır durumun süperpozisyonu şeklinde düşünülebilir. İyoniklik durumunda III grubundan azot (N) a elektron transferi III + N - şeklinde bir iyonik yapı verir (Ga + N - gibi). Kovalent durumda ise dış kabukta N den III grubuna elektron transferi III grubu atomunu ve azotu 4 e - ile bırakır. s- ve p- dalgafonksiyonlarının karışması ile sp 3 - hibrit orbitallerinin oluşmasına yol açar. Bant aralığı sıcaklığa güçlü biçimde bağlıdır. Sıcaklık arttıkça örgü parametreleri bozulmaya uğrar ve düzlem içi örgü parametreleri ısıl genleşmeden dolayı artar. Sonuç olarak bant aralığı sp 3 alt bant ayrışması nedeniyle daha küçük olacaktır. Üçlü bileşik bant yapısı durumunda Al x Ga 1-x N bant aralığı; GaN ve AlN bant aralıklarının konsantrasyona bağlı değişimi karakterize eden ve bowing parametresi gibi lineer olmayan bir terimide içerecek şekilde verilir [1].

22 9 E g (Al x Ga 1-x N) = (1-x)E g (GaN) + E g (AlN) + bx(1-x) (2.1) Genellikle bant aralığı ve AlGaN daki Al oranı üzerinden yapılan bowing parametresi ölçümü tabakalardaki strain ile ilişkilendirilir. Hacim deformasyon etkisi, yük transfer etkisi ve bileşikteki yapısal relaksasyonlar bowing parametresini oluşturan temel bileşenlerdir ev (yukarı bowing) ile +2.6 ev (aşağı bowing) aralığında bowing parametresi gösteren çalışmalar literatürde mevcuttur [32]. Ancak en çok kullanılan bowing parametresi bu kompozisyonel aralık için 1.0 ev tur. Şekil 2.3 Wurtzite yapısındaki GaN (sol) ve AlN a (sağ) ait hesaplanmış bant yapıları, [30,31]. UV-LED yapılarında kullanılan III. grup nitratlarda bant aralığı enerjisi 3.4 ev (GaN) ile 6.2 ev (AlN) aralığında değişmektedir. Wurtzite Kristal yapısındaki GaN ve AlN için hesaplanmış bant yapıları yukarıdaki Şekil 2.3. te gösterilmektedir. 2.3 Polarizasyon Bu bölümde III.grup nitratlardaki kendiliğinden ve piezoelektrik polarizasyon kökeni ve etkileri kısaca incelenmiştir. Bilindiği gibi III-grubu nitrat yarı iletkenlerde [0001] yöneliminde güçlü içsel polarizasyon alanı spontane ve piezoelektrik polarizasyon tarafından meydana getirilir. Bunun sonucunda elektron ve deşik dalga fonksiyonları polarizasyon alanı etkisiyle ayrışarak III-Nitrat LED lerde kuantum kuyudan (QW) yayınlanan ışıma verimini çok büyük oranda düşürür. Bunun

23 10 yanında AlGaN malzemesinin InGaN temelli geleneksel LED yapılarına göre kristal kusurlarına daha duyarlı olması da yayınım verimini düşüren diğer bir etkendir. Bu piezoelektrik polarizasyon; (2.2) şeklinde ifade edilirse toplam polarizasyon piezoelektrik ve spontane polarizasyonun toplamı aşağıdaki şekilde ifade edilir. (2.3) : Kuyudaki toplam polarizasyon : Piezoelektrik polarizasyon : Kendiliğinden polarizasyon, : Elastik sabitler, : Tabakanın piezoelektrik sabitleri : tabaka ve alttaşın örgü sabitleri (001) yönelimindeki elektrik alan; ifadesi ile verilir. Bariyer ve kuyu tabakalarındaki içsel elektrik alanlar; (2.4) (2.5)

24 11 (2.6) eşitlikleri ile tanımlanır. Burada ; : tabaka kalınlığı : kuyu ve bariyer : tabaka ve boş uzayın dielektrik sabiti olarak kullanılmıştır. Aktif bölgede AlGaN ince film kullanılan UV-LED yapılarında InGaN malzemeli aktif bölgeye sahip LED lere göre dışsal kuantum verimi (EQE) daha düşüktür. Bu farklılığın temelinde AlGaN malzemesinin optik ve elektriksel kalitesinin düşük olması yatar. III-grubu nitrat malzemeleri wurtzite tipi kristal yapısına sahiptir ve bu yapı c-ekseni boyunca ve bu eksene dik yönde anizotropiktir. Bu anizotropi kendiliğinden elektrik polarizasyon, valans bandının ayrışması ve polarize spontane yayınım gibi birçok olgunun meydana gelmesine yol açar [1,26]. 2.4 p-n Birleşimi Işık yayan diyotların basit yapısı bir p-n birleşimidir. P-N birileşiminde P-tipi katkılı bölgedeki Fermi enerjisi N-tipi katkılı bölgedekinden çok daha düşük düzeydedir. Her iki bölgenin Fermi enerjisi N-tipi bölgeyi düşürüp, P-tipi bölgeyi yükselterek aynı enerji seviyesini almaya çalışırlar. N tipi kristalin birleşme yüzeyine yakın kısmındaki serbest elektronlar, p tipi kristaldeki pozitif (+) elektrik yüklerinin, yani pozitif elektrik yüklü atomların, çekme kuvveti etkisiyle birleşme yüzeyini geçerek, bu yüzeye yakın atomlardaki elektron boşluklarını doldururlar ve kovalent bağ kurarak P kristali içerisinde nötr (etkimesiz) bir bölge oluştururlar. N tipi kristalin belirli bir bölümündeki elektronların tamamı P tipi kristale geçtiğinden, N tarafında da nötr bir bölge oluşur. P kristali nötr bölgesinin gerisinde kalan pozitif elektrik yüklü atomların çekme kuvveti, N tipi kristalin nötr bölgesinin öbür tarafında kalmış

25 12 olan elektronları çekmeye yetmeyeceğinden belirli bir geçişten sonra elektron akışı duracaktır. Bu olay birleşim arayüzünde belirli bir kalınlıkta nötr bir bölgenin oluşmasına yol açar. Bu bölge tüketim bölgesidir. Karşıt yüklü iyonize dopantlar içsel bir elektrik alan oluştururlar. Bu nötr bölge boyunca difüzyon voltajı ; (2.7) şeklinde verilir. : Sıcaklık : Boltzman sabiti : İletim bandı taşıyıcı yoğunluğudur Rekombinasyon öncesi elektronların p-tipi katkılı bölge içinde aldıkları ortalama yol (difüzyon derinliği) ; olarak verilir. Benzer şekilde pozitif deşik taşıyıcılar için aşağıdaki şekildedir. (2.8) Elektron ve deşikler için difüzyon sabitleri D n ve D p ; (2.9) (2.10) (2.11) ifadeleri ile verilir.burada ; : elektron ve deşik azınlık taşıyıcıları ömrüdür. : elektron ve deşik taşıyıcları mobiliteleridir.

26 13 Diyotun doğru beslemesi durumunda p-tipi bölgedeki deşikler ve n-tipi bölgedeki elektronlar birleşim yüzeyine doğru itilir ve bu durum nötr tüketim bölgesinin daralmasına bir başka deyişle potansiyel bariyerin düşmesine neden olur. Daralmış nötr bölge elektron ve deşik taşıyıcıların eklemi kolayca geçip diğer bölgenin nötr bölgeye yakın kısımlarına gitmesine yol açar ve böylece elektriksel direnç düşer ve diyottan akım geçer. Elektron ve deşik taşıyıcılar eklem bölgesi civarında rekombine olarak ışık yaymaya başlarlar [1]. Rekombinasyon olayı Şekil 2.4. ile şematize edilmiştir. İçi dolu daireler elektronları, içi boş daireler ise deşikleri sembolize etmektedir. Yayınlanan ışığın dalga boyu bant aralığı enerjsine bağlıdır. Şekil 2.4. p-n eklem bölgesinde rekombinasyon olayı ve ışık yayınımı. 2.5 Kuantum Kuyu Yapısı III. grup nitrat yarı iletken kuantum kuyu yapılarındaki kendiliğinden ve piezoelektrik alanlar Arsenik temelli olanlara göre oldukça yüksektir. Daha kısa dalga boylu ışınım elde etmek için AlGaN daki Aluminyum molar oranı arttırıldıkça bu alanlar daha da fazla artar. Artan bu alanlar radiyatif rekombinasyon verimini düşürürek Quantum Confined Stark Effect [9] olarak adlandırılan bir sınırlayıcı etki meydana getirir. Bu etki iletim bandı ve valans bandını bükerek elektron-deşik çiflerinin fiziksel olarak ayrılmasına yol açar. Bu sebeple kuantum kuyularında tekrar rekombinasyon meydana gelme olasılığı ve buna bağlı olarak yayınım verimi de azalır. Bu etki nedeniyle UV-A bölgede Al x Ga 1-x N / Al y Ga 1-y N temelli yüksek verimli UV-LED tasarımı yapmak zorlaşmaktadır. Elektronların p-tipi bölgeye difüzyonunun önüne geçmek ve kuantum kuyu bölgesinde daha fazla elektron hapsedebilmek için genel olarak kuyu ve bariyer AlGaN tabakalarından daha yüksek

27 14 Al konsatrasyonuna sahip p-algan elektron bloklama tabakası kullanılır. Ayrıca literatürde kuantum kuyu bölgesi ile p-tipi katkılı tabakalar arasında çok ince (~1nm) AlN aratabaka kullanılarak parazitik alt-bant yayınımlarının engellenebileceğini gösteren çalışmalar mevcuttur.[8] Diğer önemli zorluk ilerleyen bölümlerde bahsedilecek olan yüksek Al konsantrasyonlu p-tipi katkılı tabakaların katkılaması ve deşik verici katkı atomlarının aktivasyonudur. Al x Ga 1-x N / Al y Ga 1-y N tipi MQW yapılarında fotolüminesans özelliklerin kuyu genişliği ve bariyer yüksekliğine bağımlılığı da diğer önemli parametrelerdir. Kajitani ve ark. [18] 1,5nm Al 0.15 Ga 0.85 N / 7 nm Al 0.40 Ga 0.60 N (kuyu/bariyer) MQW yapısında 2 nm, 3nm, 4 nm kuyu genişlikleri ve %20, %30 bariyer Al konsantrasyonlarına göre çok daha yüksek şiddetli bir fotoluminesans gözlemişlerdir. Bu çalışmada Şekil 2.5. de gösterildiği gibi bir bant yapısına sahip LED büyütülmesi gerçekleştirilmiştir. Şekil.2.5. (a) ile gösterilen tabaka p-tipi katkılı GaN kontak tabakasıdır. Şekil 2.5. (b) p-tipi katkılı AlGaN zarflama tabakasıdır. Şekil 2.5. (c) ise yine p-tipi katkılı ancak Al konsantrasyonu p-algan zarflama tabakasından daha yüksek olan elektron bloklama tabakasıdır (EBT). Şekil 2.5. (d) ve Şekil 2.5. (e) ise sırasıyla kuyu ve bariyer AlGaN tabakalarıdır. Şekil 2.5. (f) ile gösterilen tabaka ise n-tipi katkılı kontak tabakasıdır ve Aluminyum konsantrasyonu EBT ile aynı tutulmuştur.

28 15 Şekil 2.5. Tasarlanan UV-LED yapısına ait aktif bölge bant yapısı a. p-gan b. p-algan c. p-algan EBT, d. Kuyu AlGaN e. Bariyer AlGaN f. n+algan Bu çalışmada Safir (0001) üzerine elde edilen UV-LED epitaksiyel yapısı genellikle DS/YS (Düşük Sıcaklık/Yüksek Sıcaklık) AlN tampon ile AlN /Al 0.75 Ga 0.25 N süper örgü tampon yapısı üzerine büyütülen AlGaN:Si kontak tabakası ve Al 0.11 Ga 0.89 N /Al 0.29 Ga 0.71 N çoklu kuantum kuyu yapısından oluşan aktif bölge ve Mg katkılı GaN, Al 0.18 Ga 0.82 N ve Al 0.33 Ga 0.67 N p kontak tabakaları ve bunların çeşitli kombinasyonlarının olduğu epitaksiyel UV-LED yapısı çalışılmış ve elde edilen sonuçlar hakkında bilgiler verilmiştir

29 16 3. MOBFE YÖNTEMİ Metal Organik Buhar Fazı Epitaksisi (MOVPE, OMVPE) yöntemi yarı iletken bileşiklerin metal-organik bileşiklerin ve hidratların değişik kombinasyonlarının pirolizi ile farklı alttaşlar üzerine ince film büyütme yöntemi yöntemidir. Safir (Al 2 O 3 ), Silisyum, SiC, LiAlO 3 gibi altaşlar yaygın olarak kullanılan alttaşlardır. MOVPE yöntemi ve bu yöntem ile ince film büyütlmesine olanak sağlayan MOCVD (Metal-Organik Kimyasal Buhar Biriktirme) sistemleri dünyada GaN temelli nitrat ince film büyütme için kullanılan en yaygın yöntemdir. Elektronik ve optik aygıt pazarında görülen GaN temelli aygıtların çok büyük bir oranı bu yöntem ile büyütülmüş epitaksiyel filmlerden elde edilmiştir. Cep telefonları, optik iletişim ekipmanları, CD çalarlar, DVD çalarlar (mavi lazer), LED aydınlatmalı bilboardlar (kuantum kuyulu ışık kaynakları) ve uydu güneş hücrelerinde MOVPE ile elde edilmiş GaN temelli filmler kullanılır. Ayrıca daha hassas teknolojiler olan güneş körü dedektörler, nanotransistörler, nanofotonik kristaller, nanoplazmonik sensörler, modülatörler ve farklı tiplerde sensörler GaN tabanlı malzemelerinden elde edilebilir. Şekil 3.1. de MOCVD sisteminin temel bileşenleri görülmektedir. Şekil 3.1. MOCVD sistemi temel bileşenleri. 1.Hidrat hattı 2. Gaz karıştırma ve kontrol ünitesi 3. Reaksiyon odası, 4. RF ısıtıcı 5. Vakum pompası 6. Metal-Organik kaynaklar 7.Hidrojen ve azot hatları

30 17 MOCVD sistemlerinde yatay ve dikey reaktör tipleri bulunmaktadır. Yatay reaktör tiplerinde metal-organik kaynaklar, CVD de olduğu gibi ortama H 2 veya N 2 ile taşınarak alttaşın üzerinden geçmektedir. Burada alttaş ve alttaşın üzerinde konumlandığı grafit disk, homojen bir sıcaklık dağılımı ve homojen kalınlık sağlamak için döndürülmektedir. MOCVD sistemlerinde, 1400 C sıcaklığına kadar mbar aralığındaki basınç değerlerinde büyütme yapılabilir. GaN ince filmleri bu yöntemde tipik olarak 500 ºC ile 1150 ºC sıcaklık aralığında ve mbar basınç aralığında büyütülebilmektedir. MOCVD yönteminde GaN büyütme prosesi adımları; 1- Alttaş ve reaktör film büyütme öncesinde hidrojen gazı ortamında 1100 C nin üzerine ısıtılarak temizlenir. 2- Belirlenen sıcaklık, basınç ve kaynak akış oranlarında TMGa ve NH 3 taşıyıcı gazlar vasıtası ile getirilerek ortama verilir. 3- Kaynaklar alttaşa ulaşmadan hemen önce karışırlar ve depozisyon alanına gelirler 4- Depozisyon alanında Metal-Organik (MO) kaynak yüksek sıcaklık nedeniyle bozunur. Diğer gaz fazı reaksiyonları sonucunda oluşan ilk GaN molekülleri alttaş üzerine yapışmaya başlarlar. 5- Bu ilk moleküller alttaş yüzey atomları ve örgüsü ile bağlar oluştururlar 6- Devam eden raksiyon sürecinde oluşan GaN molekülleri alttaş yüzeyi ile bağ yapan bu ilk moleküllere tutunmaya başlarlar ve devamında küçük GaN adacıkları oluşur. 7- Bu adacıklar 2 boyutta büyümeye devam ederek ilk tek örgü tabakalarını oluştururlar 8- Oluşan ilk örgülerden sonra 3 boyutta büyüme modu ortama verilen kaynak molekülü miktarı ve sıcaklık arttırılarak sürdürülür. 9- MOVPE sistemlerinde büyütme anında yapılan reflektans ölçümleri ile elde edilen Fabry-Perot osilasyonları yardımıyla kalınlık kontrol edilebilir.

31 18 Şekil 3.2. MOCVD yönteminde GaN ince filmlerin tabaka yapısının oluşumu MOVPE yönteminde önemli bazı parametreler; Mataryel kompozisyonu Arayüzey geçişleri Background safsızlıkları Katkı malzemesi konsantrasyonları ve profilleri Tabaka boyutları Yüzey morfolojisi ve kristal kalitesi Geniş alanlarda tekdüzelik Tekrarlanabilirlik Kalınlık kontrolü < %10 Komposizyon kontrolü < % 1 Büyütme oranı genelde III grubu elemanlarının molar akış hızı ile orantılıdır.

32 19 Çizelge 3.1. MOCVD kaynakları avantaj ve dezavantajları Reaktant Sembol Avantajları Dezavantajları TMGa (CH 3 ) 3 Ga Sıvı, yüksek buhar basıncı -- (Tri-metil Galyum) TEGa (C 2 H 5 ) 3 Ga Sıvı,düşük karbon Düşük buhar (Tri-etil Galyum) kirliliği, LP- basıncı, TMGa dan MOCVD de kullanım daha kararsız, güçlü parazitik reaksiyonlar TMIn (Tri-metil İndiyum) (CH 3 ) 3 In Bubbler içinde katı halde, Sıvı çözelti olarak ta Düşük buhar basıncı TMAl (Tri-metil Aluminyum) (CH 3 ) 3 Al kullanılabiliyor Sıvı, yüksek buhar basıncı, uzun süreli kararlılık Amonyak NH 3 Çok yüksek kararlılık, ucuz Silane SiH 4 Elektronik aygıtlar için (n-dopant) n tipi katkılama Bis(cyclopentadienyl) magnesium (p-dopant) Cp 2 Mg Katı halde -- Oksijen kirlenmesine karşı hassas Yüksek piroliz sıcaklığı Gaz halde, yanıcı, yüksek piroliz sıcaklığı MOVPE sistemleri ile birkaç farklı alttaş üzerine GaN büyütülebilir. Bu alttaşlar; Safir (Al 2 O 3 ), Silisyum, SiC, LiAlO 2. Bunlar arasında GaN ile kristal örgü uyumluluğu en fazla olan alttaş SiC dür ancak epitaksiyel büyütmeye uygun şekilde elde edilme zorlukları nedeniyle çok pahalıdır ve sadece bazı özel uygulamalar için kullanılır. Silisyum ise oldukça ucuzdur ama GaN ile arasındaki yüksek örgü uyumsuzluğu ve yüksek ısıl iletkenlik farkları bu alltaşın kullanımını zorlaştırmaktadır. Elektronik uygulamalarda en çok kullanılan alttaş safirdir ve (0001) yönelimli safir alttaşlar kullanılır. Bu yönelimdeki safir ile GaN arasındaki uyumsuzluk %13.8 dir. Safirin yüksek örgü kararlılığı GaN, AlN ve AlGaN ın yüksek sıcaklıklarda bu alttaş üzerine büyütülmesine olanak verir. MOCVD ile büyülmüş iyi GaN kristallerinde kusur yoğunluğu 10 8 cm -2 mertebesindedir.

33 20 4. EPİTAKSİYEL MALZEME BÜYÜTME 4.1 Temizlik ve Ön Hazırlıklar MOCVD sistemi reaksiyon odasında herbir büyütme öncesinde uygulanan bazı standart temizlik işlemleri vardır Reaktör hazırlama Reaktör içi parçaların temizlenmesi adımında MOCVD reaktöründe bulunan ve laminar bir gaz akışı sağlayan kapalı kuvars parçalar önceki büyütmelerden kalan depozisyonun ortadan kaldırılması için % 2 lik HF (Hidroflorik asit) çözeltisine bırakılmaktadır (minimum 4 saat). Üzerindeki parazitik kaplamalar çözüldükten sonra DI (de-iyonize) su ile yıkanıp durulandıktan sonra 105 C de bekletilen kurutma fırınına koyulup en az 2-4 saat boyunca üzerindeki nem in kaybolması için bekletilmektedir. Kuruyan parçalar önce eldivenli kutuya oradan da reaktör içine alınıp yerlerine yerleştirilir. Eldivenli kutu sürekli olarak azot atmosferinde tutulmaktadır ve oksijen oranı < 10 ppm, H 2 O (nem) oranı < 200 ppm olacak şekilde filtrelenmiş temiz azot vardır. Kuvars parçalar yerleştirildikten sonra reaktörün sökülemeyen iç parçalarının ve varsa kuvarslar üzerindeki organik veya inorganik kirliliklerin yüzeylerden uzaklaştırılması amacı ile MOCVD reaktörü 1100 C ye ısıtılıp 10 lt/dk lık Hidrojen gazı ve 300 sccm/dk lık NH 3 akışı altında 1 saat bekletilmektedir. Daha sonra soğumaya bırakılmaktadır Alttaş hazırlama Bu çalışmada AlGaN UV-LED yapılarının elde edilmesinde ve ara tabakaların optimizasyonu sırasında 2 (50,8 mm) çapında her iki yüzüde epitaksiyel büyütme için parlatılmış c-düzlem (0001) safir (Al 2 O 3 ) alttaş kullanılmıştır. Safir alttaş

34 21 reaktöre yüklenip büyütme öncesinde ısıl temizlik işlemine tabi tutulmaktadır. Reaktör sıcaklığı yine 1100 C ye çıkarılıp burada 14 lt /dk lık H 2 akışı altında 10 dk bekletilmektedir. Daha sonra yapılan incelemelerle bu hazırlık aşamasının ince film kristal kalitesine etkisi de tartışılmıştır. 4.2 AlN ve AlN/AlGaN Tampon Optimizasyonu ve Karakterizasyonu Belirtildiği üzere UV-LED büyütmelerinde safir (0001) alttaş kullanılmıştır. UV bölgesi için geçirgen olmasıda anılması gereken önemli bir avantajdır. Bu çalışmada kullanılan safir alttaşlar daha önce belirtildiği gibi c-düzlemli (0001) yönelimlidir. 50,8 mm çap ve 330 µm kalınlığa sahiptir. Her iki yüzü de parlatılmıştır ve büyütme yapılan yüzeyin RMS pürüzlülüğü 0,2 nm den küçüktür. Avantajların yanında üzerine büyütülecek olan III-grubu nitratlar ile örgü uyumsuzluğu en önemli dezavantajdır. Örgü uyumsuzluğunun temelinde AlN ve safirin birim hücre sabitleri arasındaki fark yatar. AlN için a ve c sabitleri sırasıyla 3, m ve 4, m iken bu değerler safir için 4, m ve 12, m dir. Örgü uyumsuzluğu % -13,3 tür. AlN molekülleri safir yüzeyinde en kararlı ve en düşük enerjili yere yerleşip büyümeyi tercih ettiği için AlN ile safir arasında düzlem içi yönelimlerde 30 lik bir fark oluşur.[5] Örgü uyumsuzluğu safir ve ilk tampon tabaka olan AlN arayüzeyinde kristal kusurlarının üretilmesine yol açmaktadır. Bu arayüzeyde oluşan kristal kusurları (lif, çizgi tipinde kusurlar) epitaksiyel ince filmin üst tabakalarına kadar devam edebilmektedir. Örgüdeki gerilim bu kusurlar üzerinden boşalmaktadır. AlN tabakasındaki kusurlar radiyatif olmayan rekombinasyon merkezleri olarak davranarak dışsal kuantum verimini önemli ölçüde düşürebilmektedir. Geleneksel AlN tampon teknolojisi ile birlikte gözenekli AlN tampon teknolojisi ile UV-LED yapısının optik ve elektriksel özelliklerinin iyileştirilebileceği gösterilmiştir [12]. AlGaN temelli UV-LED yapısında kullanılan çeşitli tampon ve aktif tabakaların optimizasyonu; kristal ve yüzey kalitesi, optik geçirgenlik dalga boyu, n ve p tipi katkılama seviyelerinin belirlenmesi amaçları doğrultusunda gerçekleştirilmiştir.

35 22 Büyütülen tüm LED yapılarında ortak olarak yüksek sıcaklık AlN (YS-AlN) ve AlN / AlGaN süper örgü (SÖ) tampon tabakaları kullanılmıştır. AlN tampon için bir dizi büyütme gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma esnasında X-ışını difraksiyonu ile AlN a ait simetrik (002) ve asimetrik (102) düzlemleri incelenmiştir. Bu düzlemler için yapılan rocking eğrisi ölçümleri ile elde edilen sinyal genişlikleri karşılaştırılmış ve uygulanan büyütme parametrelerinin etkileri gözlenmiştir. Ayrıca Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) ile AlN epitaksiyel ince filmin yüzey morfolojisi incelenmiştir. YS-AlN ince filminin kalitesi, büyüme başlangıç koşullarına oldukça bağımlıdır. Bu nedenle YS-AlN öncesinde uygulanan düşük sıcaklık AlN (DS-AlN) çekirdeklenme tabakasına ait parametreler ile alttaşa uygulanan temizlik adımlarına ait parametreler değiştirilerek sonuçlar incelenmiştir. Çekirdek tabaka koşulları ve başlangıç koşullarının yanında AlN kalitesini etkileyen bir çok parametre vardır. Kristal kalitesinin DS-AlN ve YS-AlN a ait V/III oranı, sıcaklık, basınç gibi parametereler ile ilişkisini inceleyen çalışmalar literatürde mevcuttur [4,5]. Bu çalışmalarda ayrıca çekirdeklenme tabakasına ait NH 3 ve TMAl akışını etkisi incelenmiştir. Yüzey pürüzlülüğü 0,18 nm dolayına ve (002) düzlemi için FWHM değeri 11,5 arcsec a kadar düştüğü rapor edilmiştir [4]. Ayrıca özel olarak tasarlanmış fotomaskeler ile ELOG (Epitaxial Lateral Overgrowth) veya SAR (Selective Area Regrowth) tarzı özel büyütme yöntemleri ile kristal kalitesi arttılmaya çalışılmştır. Bu tez çalışmasında UV-LED optimizasyonu öncesinde AlN kalitesinin daha çok alttaş yüzey özellikleri ve DS-AlN çekirdek tabakasının büyütme süresine bağımlılığı icelenmiştir. Optimizasyon aşamasında büyütülen yapıyı gösterir Şekil 4.1 aşağıdadır. YS-AlN ~750 nm DS-AlN Safir (0001) Şekil 4.1. Optimizasyon için büyütülen AlN yapısı şematik gösterimi.

36 23 DS-AlN büyütme aşamasında ilk olarak reaktör temizlik koşulları sağlanmış ve büyütmeye hazır hale getirilmiştir. 2 c-düzlem safir alttaş reaktöre yüklendikten sonra desorpsiyon işlemi uygulanmıştır ve sonra sıcaklık 790 C ye ve basınç 50 mbar a getirilmiştir. Bu koşullarda NH 3 kaynağı 1000 sccm/dk/m lik akışla açılmış ve nitridasyon işlemi uygulanmıştır. Nitridasyon süresi optimizasyon sırasında farklı sürelerde denenmiştir. Nitridasyondan sonra DS-AlN tabakası 5 sccm/dk/m TMAl ve 1000 sccm/dk/m NH 3 akışı altında örnekten örneğe değişen farklı süreler için büyütülmüştür. Reaktör basıncı ise 50 mbar da tutulmuştur. Bu sürede toplam H 2 akışı 3,7 lt/dk olmuştur. Düşük sıcaklık AlN çekirdeklenme tabakası bitiminde, reaktör koşulları yüksek sıcaklık (YS) AlN büyütmek üzere değiştirilmiştir. Reaktör basıncı tüm büyütmelerde 35 mbar da tutulmuştur. TMAl akışı 40 sccm/dk e NH 3 akışı 25 sccm/dk ya çekilmiştir. Toplam H 2 gazı akışı ise 10,9 lt/dk olmuştur. Reaktör sıcaklığı 1100 C ye çıkarılmıştır. Bu koşullarda DS-AlN tavlama işlemi gerçekleştirilmiştir. Örneklerde AlN çekirdeklenme tabakası için tavlama süresi 2 dk olarak uygulanmıştır. B-2339 nolu AlN örneğin çekirdeklenme tabakası 2 dk lık tavlama adımından önce Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile incelenmiştir. Resim 4.1. de alınan SEM görüntüsü yer almaktadır. Düşük sıcaklıkta büyüyen AlN adacıkları net şekilde görülebilmektedir. Resim 4.1. DS-AlN çekirdeklenme tabakası: 2 dk lık tavlama öncesi

37 24 DS-AlN tavlama işleminden sonra belirtilen koşullarda TMAl ve NH 3 kaynakları açılarak tüm örneklerde tabaka kalınlığı 750 nm olacak şekilde YS-AlN büyütülmüştür. Optimizasyonlar sırasında örnekler X-Işını kırınımı ve Atomik Kuvvet Mikroskobu(AFM) ile yüzey taraması ölçümlerine tabi tutulmuştur. Çizelge 4.1. ve Resim 4.2. de bu ölçümlere ait veriler yer almaktadır. Çizelge 4.1. Optimizasyon için büyütülen AlN tabakalarına ait büyütme koşulları ve X- Işını kırınımı ölçüm sonuçları. Örnek No Parametre değişimi Yüzey pürüzlülüğü (nm) (RMS) B-2330 YS-AlN Desorpsyion : 0 dk Nitridasyon:20 s Çekirdek tabaka: 5 dk 0.26 XRD FWHM (arcsec) ω (002) : 255 ω (102) : 2635 Desorpsiyon : 5 dk ω (002) : 453 B-2331 YS -AlN Nitridasyon:20 s 0.28 ω (102) : 9720 Çekirdek tabaka:5 dk Desorpsiyon : 10 dk ω (002) : 155 B-2332 YS -AlN Nit ridasyon:20 s 0.17 ω (102) : 3978 Çekirdek tabaka:5dk Desorpsiyon : 15 dk ω (002) : 1152 B-2333 YS -AlN Nitridasyon:20 s 0.36 ω (102) : 4727 Çekirdek tabaka:5dk Desorpsiyon : 0 dk ω (002) : 194 B-2334 YS-AlN Nitridasyon:10 s 0.71 ω (102) : 1940 Çekirdek tabaka:5dk Desorpsiyon : 0 dk ω (002) : 507 B-2335 YS-AlN Nitridasyon:40 s ω (102) : 1598 Çekirdek tabaka:5 dk Desorpsiyon : 0 dk ω (002) : 371 B-2336 YS-AlN Nitridasyon:6 s 0.69 ω (102) : 1785 Çekirdek tabaka:5dk Desorpsiyon : 0 dk ω (002) : 90 B-2337 YS-AlN Nitridasyon:8 s 0.23 ω (102) : 2095 Çekirdek tabaka: 4 dk

38 25 Çizelge 4.1. (Devam) Optimizasyon için büyütülen AlN tabakalarına ait büyütme koşulları ve X-Işını kırınımı ölçüm sonuçları. Desorpsiyon : 0 dk B-2338 YS-AlN Nitridasyon:8 s Çekirdek tabaka: 7 dk Desorpsiyon : 0 dk B-2339 YS-AlN Nitridasyon:8 s Çekirdek tabaka: 3 dk Desorpsiyon : 0 dk B-2340 YS-AlN Nitridasyon: 40 s Çekirdek tabaka: 4 dk B-2362 YS-AlN B-2339 un tekrarı AlN sıcaklığı 1150 C ω (002) : ω (102) : 2765 ω (002) : ω (102) : 1616 ω (002) : ω (102) : ω (002) : 79 ω (102) : 1854 Yukarıdaki Çizelge 4.1. de yer alan veriler Rigaku-Smartlab Yüksek Çözünürlüklü X-Işını difraktometresinde CuKα1 e ait λ = 0,154 nm dalgaboylu demet ile alınmıştır. Simetrik (002) ve asimetrik (102) düzlemlerine ait yarı maksimumdaki tam genişlik (FWHM) değerleri arcsec birimiyle verilmiştir. Şekil 4.2. (002) ve (102) RC ω FWHM değerlerinin DS-AlN süresi ile değişimi

39 26 Şekil 4.3. (002) ve (102) RC ω FWHM değerlerinin DS-AlN büyütme süresi ile değişimi Şekil 4.4. (002) ve (102) RC ω FWHM değerlerinin Desorpsiyon süresi ile değişimi

40 27 X-ışını kırınımı ile alınan ölçümlerde simetrik (002) ve asimetrik (102) düzlemlerine ait sinyallerin FWHM değerleri, DS-AlN çekirdeklenme tabakası büyütme süresi, nitridasyon süresinin ve desorpsiyon süresinin değişimine göre incelenmiştir. DS- AlN çekirdeklenme tabakası büyütme süresi arttıkça hem (002) hem de (102) düzlemleri için FWHM değerlerinde artış, kristal kalitesinde düşüş gözlenmiştir. Çekirdeklenme süresi 3 dk olduğunda (002) ve (102) için 108 arcsec ve 1616 arcsec olarak gözlenmiştir. 4 dk olduğunda ise bu değerler sırasıyla 90 arcsec ve 2095 arcsec olmuştur. Aynı koşullarda ( desorpsiyon 0 dk, nitridasyon 8 s, DS-AlN tavlama süresi 2 dk) çekirdek tabaka büyütme süresi 7 dk olduğunda (002) ve (102) için FWHM değerleri artarak sırasıyla 324 arc sec ve 2765 arcsec olmuştur (Şekil 4.3). Daha uzun süre büyütülen AlN çekirdeklenme tabakasının 3D adacık birleşimini arttırarak burkulma düzlem içi kristal yönelim kaybını (düzlem içi yanlış yönelme) arttırdığı düşünülmektedir. DS-AlN çekirdeklenme tabaka büyütme süresi 3 dk olarak seçildikten sonra nitridasyon süresi ile kristal kalitesinin değişimi incelenmiştir. Aynı koşullarda (desorpsiyon 0 dk, DS-AlN çekirdeklenme süresi 5 dk) nitridasyon süresi 6 s, 10 s ve 40 s olarak değiştirilmiştir. Nitridasyon süresi 10 s iken (002) için en düşük FWHM değeri 198 arcsec olarak elde edilmiştir. Nitridasyon süresi 40 s yapıldığında ise asimetrik (102) düzlem için en küçük FWHM değerine ulaşılmıştır (1598 arcsec). Diğer adımda ise desopsiyon süresi değiştirilerek sonuçlar incelenmiştir. Desorpsiyon süresi 0, 5, 10, 40 dk lık farklı sürelerde uygulanmıştır. 10 dk desorpsiyon uygulandığında (002) için FWHM 155 arc sec ve 0 dk uygulandığında (102) için FWHM 2635 arc sec olarak en düşük değerlerini vermiştir. Optimizasyon amacıyla yapılan son büyütmede B-2339 nolu örnek temel alınmış ve AlN büyütme sıcaklığı 1150 C ye çıkartılarak diğer tüm parametreler sabit tutulmuştur. Bu örnekte 79 arc sec ile en düşük simetrik düzlem FWHM değeri elde edilmiştir. Yüzeyde çukursuz ve atomik adım tipi morfoloji açıkça görülebilmiştir. Resim 4.2. de yer alan yüzey taramalarına ait görüntüler Veeco CP-II Atomik Kuvvet Mikroskobu ile alınmıştır.

41 Resim 4.2 AlN tampon optimizasyonu AFM yüzey taramaları 28

42 Resim 4.2. (Devam) AlN tampon optimizasyonu AFM yüzey taramaları 29

43 30 Şekil 4.5. RMS yüzey pürüzlülük değerinin DS-AlN çekirdek tabaka süresi ile değişimi Şekil 4.6. RMS yüzey pürüzlülük değerinin Nitridasyon süresi ile değişimi

44 31 Şekil 4.7. RMS yüzey pürüzlülük değerinin Desorpsiyon süresi ile değişimi Atomik kuvvet mikroskobu ile gerçekleştirilen AlN yüzey taramalarında DS-AlN çekirdeklenme tabakası büyütme süresi 4 dk, nitridasyon süresi 10 s ve desorpsiyon süresi 10 dk iken en düşük yüzey pürüzlülük (RMS) değerleri elde edilmiştir (Şekil 4.5, Şekil 4.6 ve Şekil 4.7). YS-AlN tabaka optimizasyonundan sonra hem AFM yüzey pürüzlülüğünün düşük çıktığı parametreler kullanılarak hem de XRD Rocking Curve taraması FWHM değerlerinin simetrik (002) ve asimetrik (102) için düşük çıktığı parametereler kullanılarak iki farklı AlN tampon büyütülmüş ve her iki tampon üzerine farklı AlGaN tabaka kalınlıklarına sahip UV-LED yapıları büyütülmüştür. AlN ve GaN arasındaki yüksek çekme deformasyonu nedeniyle (tensile strain) Al zengin AlGaN/GaN veya AlN/AlGaN süper örgü tampon tabakaları epi-tabakada çatlak oluşumunu engellemesi, relaksasyon sonrası kusur oluşumuna ve buna bağlı olarak optik güç, taşıyıcı ömrü gibi aygıt özelliklerinin kötüleşmesine karşı kullanılmaktadır. [5,18,21]. Aynı şekilde AlN/GaN süper örgü tipinde de tampon

45 32 çalışmaları yüksek verimli UV-LED yapıları için rapor edilmiştir [22]. Kusur ve stres kontrolünde oyuklu biçimde patern edilmiş tamponlar da rapor edilmiş ve özellikle katkılı tabakaların kalitesini arttırdığı rapor edilmiştir [23]. Bu çalışmada farklı AlN tamponlar üzerine 10 periyot halinde AlN/Al 0.75 Ga 0.25 N süper örgü tampon tabakası büyütülmüştür. Büyütmede reaktör basıncı 50 mbar a ve sıcaklık 1120 C ye çıkarılmıştır. 10 periyotluk büyütme dizisi içinde AlN tabakası ve AlGaN tabakası 30 s lik sürelerde büyütülmüştür. Şekil 4.8. AlN/Al 0.75 Ga 0.25 N süper örgü tampon tabakası büyütme kaynak akış diyagramı Büyütmede TMAl, TMGa ve NH 3 akışlarını gösterir diyagram yukarıdaki Şekil 4.4. de verilmiştir. Yapılan optimizasyon çalışmalarında kullanılan AlN/AlGaN süper

46 33 örgü tampon yapısının hem kristal kusur yoğunluğunu azalttığı hem de stresi kontrol ederek 2 lik örneğin heryerinde çatlaksız bir yüzey elde elde edilmesini sağladığı görülmüştür. Al x Ga 1-x N / Al y Ga 1-y N tipindeki süper örgü tampon tabakaları çeşitli gruplar tarafından denenmiştir. Resim 4.3. AlN/AlGaN süper örgü tampon tabakası ara kesit SEM görüntüsü AlN/AlGaN optimizasyonu sırasında yaklaşık 45 nm lik YS-AlN tampon üzerine büyütülmüş 10 periyotluk AlN/AlGaN süper örgü tabakasının Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile alınmış kesit görüntüsü Resim 4.3. de gösterilmektedir. Burada AlN/AlGaN süper örgü tabakasının toplam kalınlığının yaklaşık 113 nm olduğu anlaşılmıştır.

47 AlGaN:Si Yapının Büyütülmesi UV-LED yapısındaki molar Al oranı ve katkılama seviyesi tasarıma uygun biçimde optimize edilmiştir. N-tipi katkılı AlGaN kontak tabakasında katkı malzemesi olarak silisyum kullanılmıştır. Al x Ga 1-x N da molar Al oranı arttıkça (0 < x < 1) Silisyum katkı atomu için iyonizasyon enerjisi bir başka deyişle aktivasyon enerjisi Şekil 4.9 da görüldüğü gibi artar. Tasarımda n-tipi katkılı AlGaN tabakasında molar Al oranı ~% 35 olarak hedeflenmiştir. n+al 0.35 Ga 0.65 N tabakası öncelikle optimize edilen AlN üzerine koyulan AlN/AlGaN süper örgü tampon üzerine büyütülmüş ve optik geçirgenlik ile Hall etkisi ölçümlerine tabi tutulmuştur. Şekil 4.9. Katkılı AlGaN da Silisyum aktivasyon enerjisinin Aluminyum oranı ile değişimi [16]. Al x Ga 1-x N da Al oranı arttıkça hem aktivasyon enerjisinin artması hem de Si katkı atomlarının kristal içinde noktasal kusurlar oluşturup elektronlar için tuzak noktaları meydana getirmesi etkilerinden dolayı homojen ve yüksek oranda katkılama yapmak zorlaşmaktadır. Bu tez çalışmasında da hem AlN büyütme safhasında hem de n-tipi katkılı AlGaN tabakası büyütme safhasında Indium yardımcı-katkılama işlemi uygulanmıştır. N+tipi AlGaN için test olarak büyütülen epitaksiyel yapı Şekil da gösterildiği gibi tasarlanmış ve büyütülmüştür.

48 35 YS-AlN ve AlN/AlGaN süper örgü tampon tabakaları tamamlandıktan sonra reaktör koşulları AlN/AlGaN ile n+algan arasında bir geçiş tabakası büyütmek üzere değiştirilmiştir. AlN/Al 0.75 Ga 0.25 N ile katkısız-al 0.35 Ga 0.65 N arasındaki yaklaşık 100 nm lik geçiş tabakasında sıcaklık 1120 C den 1100 C ye ve TMGa akışı 5 sccm/dk den 10 sccm/dk e çıkarılmıştır. Burada TMAl akışı 25 sccm/dk de tutulmuştur. Geçiş tabakasında 100 nm lik kalınlıkta Al oranı %50 den %35 e düşmüştür. Daha sonra bu koşullarda yaklaşık 110 nm katkısız Ud-Al 0.35 Ga 0.65 N tampon tabakası büyütülmüştür. Epitaksiyel yapıdaki stresi kontrol altında tutabilmek için Al oranının giderek azaldığı bir yapı elde edilmiştir. Elde edilen katkısız Al 0.35 Ga 0.65 N üzerine 1000 nm Silisyum katkılı Al 0.33 Ga 0.67 N tabakası aynı koşullarda büyütülmüştür. N-tipi katkılı tabaka 15 sccm/dk lik SiH 4 akışı ile elde edilmiştir. n+algan Ud-Al 0.35 Ga 0.65 N tampon Ud-Al x Ga 1-x N geçiş tabakası AlN/AlGaN x10 periyot Süper örgü YS- AlN tampon DS-AlN NL Safir (0001) Şekil AlGaN:Si ile tampon tabakalarının şematik gösterimi 4.4 AlGaN:Si Karakterizasyonu Elde edilen yapının istenilen ve tasarlanan yapıya uygunluğunun anlaşılması için optik geçirgenlik ölçümü, Hall etkisi ölçümü, fotoluminesans ve Atomik Kuvvet mikroskobu ile yüzey morfolojisinin incelenmesidir.

49 Optik geçirgenlik Elde edilen yapıya öncelikle optik geçirgenlik ölçümü uygulanıp n+algan ın kesim dalga boyu belirlenmeye çalışılmıştır. Optik geçirgenlik ölçümüne ait spektrum Şekil 4.11 de görüldüğü gibidir. Kesim dalgaboyu 302 nm olarak belirlenmiştir. Bu değer bowing parametresi 1 ev alınırsa %32.6 (~% 33) aluminyum oranına karşılık gelmektedir. Yapılan tasarımla tutarlı sonuçlar alınmıştır. Şekil n+al 0.33 Ga 0.67 N tabakasına ait optik geçirgenlik spektrumu Optik geçirgenlik ölçümleri Ocean Optics USB-ISS-UV/VIS ışık kaynağı ile Ocean Optics USB-4000 spektrometre kullanılarak gerçekleştirilmiştir Hall etkisi ölçümü Büyütme sonrasında 6mm x 6mm lik örnek parçasına standart Van der Pauw geometrisinde ohmik metal kaplaması uygulanmıştır. Ti/Al/Ni/Au metal kaplaması elektron demetli buharlaştırma yöntemi (OERLIKON LEYBOLD-UNIVEX 350) ile sırasıyla 20 nm/200 nm/40 nm/50 nm kalınlıklarında kaplanmıştır. Kontağın ohmik

50 37 olması için metal kaplanan örnek 830 C de 30s RTA (SSI-SOLARIS 75 model) işlemine tabi tutulmuştur. Oda sıcaklığında (300K) Hall etkisi ölçümleri uygulanan örnekte elektron taşıyıcı konsantrasyonu ~2.0E+18 cm -3 dir Atomik kuvvet mikroskobu ile yüzey taraması Ayrıca örneğin Atomik Kuvvet Mikroskobunda kontak modunda (VEECO CPIIkontak mod) ile yüzey taraması gerçekleştirilmiştir. 4.5µm x 4.5µm lik tarama alanında ~ 0.17 nm RMS pürüzlülük değeri elde edilmiştir (Resim 4.4). Yüzeyde basamak tipi morfoloji ve düşük çukur yoğunluğu gözlenmiştir. Resim 4.4. n+al 0.33 Ga 0.67 N AFM yüzey görüntüsü 4.5 Çoklu Kuantum Kuyu Yapının Büyütülmesi N-tipi katkılı AlGaN tabakasının ardından Al x Ga 1-x N / Al y Ga 1-y N çoklu kuantum kuyusu için tasarlanan yapıya uygun olacak şekilde optimizasyon çalışması yapılmıştır. Büyütülen test yapısında p-tipi katkılı kontak ve elektron bloklama

51 38 tabakaları yer almamaktadır. Daha düşük Al içerikli p-algan tabakalarının ve p- GaN tabakalarının içsel soğurma durumu göz önüne alınarak öncelikle kuantum kuyu bölgesinden gelen yayınım gözlenmiştir. Katkılı AlGaN tabakalarının fotoluminesans özellikleri literatürden bulunabilir [27]. Çizelge 4.2. Çoklu Kuantum Kuyusu Büyütme Koşulları Tabaka Akışlar (sccm/dk) Sıcaklık ( C ) Basınç (mbar) Al 0.29 Ga 0.71 N /Al 0.11 Ga 0.89 N MQW (8 nm /3 nm) n +Al 0.33 Ga 0.67 N tampon ud-al 0.33 Ga 0.67 N tampon Al 0.5 Ga 0.5 N/AlN tampon YS-AlN tampon TMAl : 25 / 2,5 (bariyer/kuyu) TMGa : 6 / 10 (bariyer/kuyu) NH 3 : 1300 / 1300 (bariyer/kuyu) TMAl : 25 TMGa : NH 3 : 950 TMAl : 25 TMGa : NH 3 : 950 TMAl : 25 (AlGaN) / 40 (AlN) TMGa : 5 (AlGaN) / 0 (AlN) NH 3 : 200 (AlGaN) / 50 (AlN) TMAl : 40 NH 3 : DS-AlN çekirdek tabakası TMAl : 5 NH 3 : Safir(0001) n+algan ile birlikte bariyer ve kuyu AlGaN tabakaları test amaçlı ayrı büyütülüp optik geçirgenlik ölçümüne tabi tutulmuştur. n+algan a ait geçirgenlik spektrumunu da içerecek şekilde verilen karşılaştırmalı spektrum aşağıdaki Şekil 4.12 de görülmektedir. Kesim dalgaboyu n+algan için 302 nm, bariyer AlGaN için

52 nm ve kuyu AlGaN için ~341 nm dir. Bowing parametresi 1 ev alındığında Aluminyum oranı bariyer ve kuyu için sırasıyla yaklaşık %29 ve %11 dir. Şekil n+algan, bariyer ve kuyu AlGaN optik geçirgenlik ölçümü Çizelge 4.2. de gösterilen koşullar altında bir test büyütmesi gerçekleştirilmiş ve bu yapının üzerine herhangi bir p tipi katkılı kontak tabakası büyütülmemiştir. Elde edilen örnek 266 nm Nd:YAG lazer (sinyal genişliği 10 ps, çıkış gücü 0,5W) ile uyarılarak fotoluminesans (HORIBA-Jobin Yvon TRIAX 550 Symphony CCD dedektör) ölçümüne tabi tutulmuştur.

53 40 Şekil Al 0.11 Ga 0.89 N / Al 0.29 Ga 0.71 N MQW test büyütmesi için Fotoluminesans spektrumu Şekil 4.13 de p-tipi katkılı kontak tabakaları olmaksızın büyütülen test yapısında n- tipi katkılanmış AlGaN tabakasının ve Al 0.29 Ga 0.71 N /Al 0.11 Ga 0.89 N çoklu kuantum kuyu tabakalarından gelen ışıma spektrumu görülmektedir. A ile gösterilen n+algan sinyal tepe noktası ~305 nm olarak belirlenmiştir. B ile gösterilen sinyal tepe noktası ise nm olarak belirlenmiştir. Bu sinyal kuantum kuyulu yapıdan gelmektedir. 4.6 UV-LED Yapı Büyütmeleri Test çalışmalarının ardından farklı p-tipi katkılı kontak tabakalarına ve farklı tampon tabaka kalınlıklarına sahip 2 adet UV-LED yapısı büyütülmüş ve karakterize edilmiştir. İlk yapıda ayrıca safir alttaş üzeri tabaka büyütmesi öncesinde geleneksel desorpsiyon işlemi uygulanmıştır. Tasarlanan ve büyütülen bu yapılardaki tabakalara ait kalınlık değerlerleri Çizelge 4.3. te yer almaktadır. 2. yapıda AlN/Al 0.75 Ga 0.25 N süperörgü tabakası ile katkısız Al 0.33 Ga 0.67 N tampon tabakası arasında geçiş tabakası

54 41 büyütülmemiştir. Bunun yerine yapıda yaklaşık nm kalınlığında katkısız GaN tabakası, AlN/Al 0.75 Ga 0.25 N ile Al 0.33 Ga 0.67 N tampon arasında kullanılmıştır. GaN ara tabakasının, safirden itibaren gelen tabakalarda ipliksi dislokasyonlarının sayısını azaltması ve yukarıdaki tabakalara doğru yayılmasını önlemesi beklenmektedir. Ancak iç soğurmayı engellemek için oldukça ince tutulmuştur. GaN ara tabakasının elektro-luminesans ışıma şiddetini arttırdığını belirten çalışmalar literatürde mevcuttur [10,11]. Çizelge 4.3. UV-LED yapılarında standart olarak kullanılan tabakaların kalınlıkları Tabaka Kalınlıklar 1.Yapı 2.Yapı Al 0.29 Ga 0.71 N /Al 0.11 Ga 0.89 N MQW 8 / 3 8 / 3 n +Al 0.33 Ga 0.67 N tampon Ud-Al 0.33 Ga 0.67 N tampon A x lga 1-x N geçiş tabakası (x : 0.75 den 0.32 ye) GaN (katkısız) - 20 AlN / Al 0.75 Ga 0.25 N tampon YS-AlN tampon AlN çekirdek tabakası Safir(0001) 330µm

55 42 Çizelge 4.3. te verilen tabaka kalınlıkları incelendiğinde 1. yapıda YS-AlN tampon kalınlığı 300 nm dir. 2. yapıda ise 420 nm olmuştur. AlN/AlGaN süper örgü tampon her iki yapıda da aynı sürede ve aynı koşullarda büyütülmüştür. Kalınlığı 113 nm olarak ölçülmüştür. Katkısız GaN ara tabakası 2. yapıda ~20 nm bulunmaktadır. Molar Aluminyum konsantrasyonunun 0.75 den 0.33 e düştüğü geçiş tabakası ise 1. yapıda uygulanmış ancak 2. örnek de yapıya koyulmamıştır. Bu geçiş tabakasının kalınlığı ~100 nm dir. n+algan kontak tabakasından hemen önce büyütülen katkısız Al 0.33 Ga 0.67 N ise 1.örnekte 110 nm, 2. örnekte ise 900 nm yapılmıştır. Silisyum katkılı n+ Al 0.33 Ga 0.67 N ise örnekte 700 nm son iki örnekte 1100 nm dir. Silisyum katkılama için kullanılan SiH 4 akış miktarı kaynak / injeksiyon akışı 15 / 25 sccm/dk dır. Tasarlanan yapılarda p tipi katkılı tabakalar aynı koşullarda büyütülmüş ancak, kalınlıkları bakımından farklılık göstermektedir. P-tipi katkılı tabakaların yapıdaki yerleşimleri Şekil de gösterilmiştir. p-gan p-al 0.18 Ga 0.82 N p-al 0.33 Ga 0.67 N EBT MQW Tampon Safir alttaş Şekil Yapılara ait p-tipi katkılı kontak tabakalarının yerleşimi Çizelge 4.4. de yapılarda kullanılan p-tipi katkılı ince film tabakaların büyütme koşulları verilmiştir. p-al 0.33 Ga 0.67 N EBT her iki yapıda da aynı sürede büyütülürken, p-gan ve p-al 0.18 Ga 0.82 N tabakaları büyütme süreleri ilk yapıda ikincisine göre ~ %50 daha fazladır. Bu süreler çizelgede ayrıca gösterilmiştir. Silisyum katkılı n+algan kontak tabakasında olduğu gibi yine sadece 2. örnekte p-al 0.33 Ga 0.67 N

56 43 elektron bloklama tabakasında Cp2Mg akışı %20 arttırılmıştır. 1. yapıda 100 sccm/dk iken 2. Yapıda 120 sccm/dk e çıkarılmıştır. 1. ve 2. örnek arasındaki farklardan biri de budur. p-al 0.33 Ga 0.67 N EBT ile p-al 0.18 Ga 0.82 N yelek (cladding) tabakasındaki Cp2Mg akışı 1. örnekte 100 sccm/dk iken 2.örnekte 120 sccm/dk yapılmıştır. Standart p-algan kontak ve EBT tabakalarının kullanımı yanında AlGaN/AlGaN MQB Çoklu Kuantum Bariyeri tipindeki elektron bloklama tabakakası kullanımının dış kuantum verimini önemli ölçüde arttırdığını gösteren çalışmalar mevcuttur [7,20]. Hirayama ve ark. [20] yaptığı çalışmada bu sayede 10.4 mw gibi oldukça yüksek çıkış gücü elde edilmiştir. Çizelge 4.4. p-tipi kontak tabakalarının büyütme koşulları. Büyütme Koşulları Tabaka T ( o C) P (mbar) TMGa (sccm/dk) TMAl (sccm/dk) NH 3 (sccm/dk) Cp2Mg (sccm/dk) Süre (s) p-gan (1) 40 (2) p-al 0.18 Ga 0.82 N (1) 120(2) 75 (1) 45 (2) p-al 0.33 Ga 0.67 N EBT (2) 20 Epitaksiyel film büyütmelerinde büyütme anında güncel bilgi alabilmek oldukça önemlidir. Optik reflektans, tabakalar hakkındaki bazı bilgilere büyütme esnasında doğrudan erişim sağladığı için genellikle tercih edilen bir metoddur. Reflektans ölçümlerinden elde edilen bilgi yalnızca büyütme oranı ile sınırlı değildir. Optik sistemin gelişmişliğine göre yüzey pürüzlülüğü ve özellikle üçlü bileşiklerin tabaka kompozisyonu hakkında bilgiler alınabilmektedir. Bu sayede lazer diyotları ve DBR (Distributed Bragg Reflector) gibi karmaşık yapıların büyütülmesi de kontrol edilebilir [2]. Reflektans ölçümü sırasında belirli bir dalgaboyundaki ışık, büyüyen

57 44 tabaka yüzeyine çarpar ve bu ışığın belirli bir kesri geri yansır. Yansıyan ışığın şiddeti bir fotodiyot yada CCD yardımıyla ölçülür. Işığın yansıyan kesri reflektans R olarak adlandırılır. Vakum ve katı malzeme arasındaki tekli bir arayüz için n- kırılma indisi ve k-sönüm katsayısı olmak üzere,reflektans ; R = I yansıyan / I gelen = {(n-1) 2 + k 2 }/{ (n+1) 2 + k 2 } (4.1) şeklinde verilir. n ve k indisleri ışığın dalgaboyuna bağlıdır. Tabakaların kompozisyonu ve büyütme anındaki alttaş sıcaklığı ile de değişir. Epitaksiyel büyüme sırasında reflektans ölçümlerinden bilgi kazanmanın en pratik yolu yansımalı geçiş ölçmektir. Bu durumda alttaş-ince film yapısından yansıyan ışık şiddeti zamanın fonksiyonu olarak tek bir dalga boyunda ölçülür. Eğer büyüyen tabaka gelen ışığın dalga boyu için tamamen veya kısmen geçirgen ise bu geçen dalganın şiddetinde girişim etkilerinden dolayı bir modülasyon oluşumu görülür. Modülasyon periyodu ince filmin kalınlık ve büyütme oranını ölçmede kullanılır. Şekil İnce film-alttaş yapısında yansıma olayının oluşumu Şekil 4.15 de gösterilen yansıma olayında gelen ışığın ancak belirli bir kısmı yüzeyden yansır ve belirli bir kesri ince film içine nüfuz eder. İçeri nüfuz eden ışığın da belirli bir kesri ince film-alttaş arayüzünden geri yansıtılır. Yansıyan bu kısım tekrar ince film yüzeyine döner. İnce film yüzeyine gelen bu ışığın bir kısmı ince

58 45 film vakum arayüzünden dışarı çıkarken bir kısmı tekrar geri döner ve bu olay tekrarlanarak devam eder. Böylece yansıyan her bir demet faz farkından dolayı yapıcı yada yıkıcı girişim oluşturur. Bu da Fabry-Perot osilasyonları olarak bilinen şiddet modulasyonu eğrisini oluşturur. Yansımalı geçiş ölçüm düzeneğinin şematik gösterimi aşağıdaki Şekil 4.16 da verilmiştir. Şekil Yansımalı geçiş ölçüm düzeneğinin şematik gösterimi [6]. P-tipi kontak tabakaları ile birlikte büyütülen 2 yapının büyütme esnasında eşzamanlı olarak alınan reflektans spektrumları aşağıdaki şekillerdedir. Zamana bağlı Fabry- Perot osilasyonlarının gözlendiği yansıma ölçümünde 566 nm lik ışık kaynağı kullanılmıştır. Çizelge 4.3. te verilen kalınlıklar bu yansıma grafiklerinden hesaplanmıştır. Osilasyonların sıklığı büyütme oranı hakkında bilgi vermektedir. Katkısız Al 0.33 Ga 0.67 N ve n+al 0.33 Ga 0.67 N tampon tabakaları için büyütme oranı 1,170 µm/h olarak hesaplanmıştır. YS-AlN tampon için bu oran 0,710 µm/h olarak hesaplanmıştır. Bütün yapılarda bu tabakalar aynı koşullarda büyütüldüğünden büyütme oranları tüm yapılarda aynıdır.

59 46 Şekil UV-LED yapısına ait büyütmenin Fabry-Perot osilasyonları Şekil UV-LED yapısına ait büyütmenin Fabry-Perot osilasyonları

60 47 5. EPİTAKSİYEL MALZEMENİN KARAKTERİZASYONU 5.1. X-Işını Difraksiyonu Büyütmeler sonrasında UV-LED yapıları yüksek çözünürlüklü X-Işını difraktometresi ile yapısal analize tabi tutulmuştur. Her örnek için aralığında Omega/2Theta ölçümü gerçekleştirilmiştir. Ölçümler Rigaku Smartlab X-Işını difraktometresinde Kα1 demeti ile ölçülmüştür. Ge (220)x4 monokromatör kullanılmıştır. Çizelge test yapısı ve 2.yapı daki bazı tabakaların (002) düzlemi için rocking eğrisi ölçümü FWHM değerleri Tabaka RC ω(002) FWHM (Arc sec) 1.Yapı 2.Yapı p-gan (+ GaN aratabaka_2.yapı) N+Al 0.33 Ga 0.68 N Al 0.75 Ga 0.25 N (SÖ) X-Işını difraksiyonu ölçümlerinde (002) düzlemine ait spektrumda p-gan ( ve GaN ara tampon _2.Yapı), n+al 0.33 Ga 0.67 N + Katkısız Al 0.33 Ga 0.67 N tampon tabakaları, süper örgü tabakasında bulunan AlGaN tampon ve YS-AlN tabakalarının (004) düzlemlerine ait sinyaller net biçimde görülmektedir.

61 48 Şekil UV-LED yapısına ait Omega/2theta ölçüm spektrumu Şekil UV-LED yapısına ait Omega/2theta ölçüm spektrumu Ölçümlerde düşük yüzey pürüzlülüğü veren AlN tampon üzerine büyütülen tabakaların sinyal genişliklerinin 2. yapıya göre daha fazla olduğu gözlenmiştir.

62 49 Belirtildiği üzere 2. yapıda desorpsiyon adımı kaldırılmıştı ve DS-AlN çekirdeklenme tabaka süresi 3 dk dır. İlk yapıda desorpsiyon 10 dk ve DS-AlN süresi 4 dk olarak belirlenmişti Fotoluminesans Ölçümü (FL) Şekil 5.3. te 1.yapının 266 nm UV-Lazer uyarımı ile alınmış fotoluminesans spektrumu görülmektedir. A etiketli örnek test olarak büyütülen 1. UV-LED yapısına ait fotoluminesans spektrumudur. 1. yapıda p-tipi katkılı kontak tabakaları kullanıldığında çoklu kuantum kuyu yapısından gelen sinyalin oldukça bastırıldığı görülmektedir. Bunun temel nedeni kuantum kuyu yapısından yayınlanan UV ışımanın p-kontak tabakaları tarafından soğurulması olduğu düşünülmektedir. 360 nm dolayında oldukça şiddetli bir yayınım gözlenmektedir. Bunun engellenmesi için 2.yapıda p-tipi katkılı kontak tabakalarının süresi oldukça azaltılmıştır. 1.yapıda AlN ve AlGaN tampon tabakasının düşük kristal kalitesi ve düşük kalınlığına bağlı olarak tampon AlGaN a ait sinyal oldukça düşük şiddetlidir. Şekil 5.3. p-kontak tabakaları ile büyütülen UV-LED yapılarının fotoluminesans spektrumu. (Sağ üst resim logaritmik skalada verilmiştir)

63 50 Çizelge 5.2. Çoklu kuantum kuyusundan gelen ve n+algan dan gelen sinyal tepe noktaları Tabaka 1.yapı 2.yapı n+algan MQW Çizelge 5.2. de n+algan kontak tabakası ve çoklu kuantum kuyusundan gelen fotoluminesans yayınımlarının sinyal pozisyonları verilmiştir. Bunlar dışında 360 nm dolayında GaN uyarılmasına ait geçişler görülmektedir.

64 51 6. AYGIT MİKRO-FABRİKASYONU Büyütülen 2 yapı temiz odada (100 Sınıf) optik litografi işlemlerine tabi tutularak aygıt haline getirilmiştir. Yapılarda uygulanan kontak metalleri ve bu metal kaplamaların kalınlıkları aşağıdaki Çizelge 6.1. de verilmiştir. Metal kaplama işlemi elektron demeti ile buharlaştırma tekniği kullanılarak Leybold marka Univex 350 model elektron demetli buharlaştırma sisteminde gerçekleştirilmiştir. Çizelge 6.1. Kontak metal kaplama kalınlıkları Tabaka Kalınlıklar (Å) p-kontak Ni / Au 100/ /2500 p-transparan metal Ni / Au 50/50 30/30 N kontak Ti / Al 100/ /1000 Aygıt fabrikasyonu adımları aşağıdaki gibidir. Fabrikasyon adımları ile ilgili proses parametreleri literatürde mevcuttur. Resim 6.1. de fabrikasyonu tamamlanıp ölçüme hazır hale gelen aygıta ait mikroskop görüntüsü yer almaktadır.

65 Resim 6.1. Optik litografi ile fabrikasyonu tamamlanan UV-LED aygıtına ait mikroskop görüntüsü. 1.P-touch, 2. P-Transparan kontak metali, 3. N-kontak 52